懸臂施工連續梁拱組合體系安全性分析

摘要：連續梁拱組合體系橋梁主要采用懸臂施工的方法，該體系會產生多次轉換，因此對該類型橋梁在施工過程中的安全性研究很有必要。文章以一座連續梁拱組合體系橋梁為依托工程，建立了離散化Midas Civil雙主梁模型，根據最大懸臂階段可能承受的5種荷載作用組合，分析主梁的應力、位移效應。研究表明，掛籃與澆筑節段跌落對主梁影響顯著，此階段主梁最小安全儲備為1.96，表明結構較為安全。

關鍵詞：懸臂施工方法；梁拱組合體系；施工效應；數值模擬；安全儲備

中文分類號：U448.21+5A391244

0引言

隨著國內交通事業不斷推進，在橋梁建設中需要克服多種難題。連續梁橋由于跨中下撓對跨徑產生限制［1］。當前，國內建造的組合體系橋梁數量日益增多，其中，連續梁拱組合體系橋梁是發展最迅速的一種橋型［2］。

對于大跨徑連續梁拱組合體系橋梁，施工過程中會發生多次體系轉換，在各種不利荷載作用下，結構局部可能出現應力超限與失穩，因此對橋梁結構在施工過程中的安全儲備進行研究是很有必要的。劉承亮等［3］以連續梁拱組合體系的萬州長江大橋為依托項目工程，分析拱肋架設過程中橋梁力學響應，確定合理的施工方案。王松林［4］以一座連續梁拱組合體系橋梁為依托工程，研究施工過程中橋梁力學行為，對施工過程中的應力進行控制，并對全過程進行分析。吳天［5］分析一座（62+132+62） m的連續梁拱組合橋，建立全橋仿真模型，分析主梁和拱肋施工過程中的力學響應，對比實測數據，對橋梁施工過程進行實時監控。Chong Yang Zhou［6］對一座梁拱組合橋的線形及內力進行監測，研究溫度對結構施工變形與應力的影響規律，得到了影響線形平順的關鍵因素是由于溫度變化所產生的應力。梅葵花等［7］對江東多跨連續梁拱組合體系大橋施工過程的內力和應力進行分析，確定橋梁合理的施工順序與安全儲備。

國內外關于連續梁拱組合體系橋梁施工過程的研究主要集中在體系轉換以及參數優化等方面，但是對于施工過程中的力學響應研究較少。本文以一座連續梁拱組合體系大橋為工程實例，根據橋梁承受的作用組合，對梁拱組合體系在最大懸臂階段進行橋梁結構安全儲備分析評定，對同類型橋梁的設計與施工具有重要指導意義。

1工程背景

1.1工程概況

本文依托工程為陜西省某在建梁拱組合連續剛構橋。該橋為設計時速達60 km/h的雙向六車道公路橋梁，橋位處地面高差達120 m。主橋縱向位于縱坡為i=2.000%的直線上，主橋共6跨，孔徑布置為（90+4×170+90） m。主梁采用預應力混凝土變截面分體箱，單箱單室截面，全寬為41.6 m，單箱頂寬為20.5 m，底寬為10.95 m，分體中間設0.6 m寬的后澆濕接縫。依托工程立面與主梁橫斷面圖如圖1、圖2所示。

1.2有限元分析模型

采用Midas Civil軟件對本文工程背景4拱6跨連續梁拱組合體系橋梁進行建模，如圖3所示。其中結構的主梁、主墩、主拱采用梁單元，吊桿采用桁架單元模擬。主梁考慮縱坡，濕接縫采用虛擬橫梁模擬，建立雙主梁模型。橋面系上的質量平均分配到主梁對應的梁單元上，主梁和吊桿之間采用剛性連接，其中主梁作為主節點，吊桿下緣作為從節點。主梁、主拱、橋墩之間的連接采用彈性連接里面的剛性接模擬，樁土效應采用“m法”計算每層土的剛度，以節點彈性支承的方式施加到樁節點上。

1.3施工步驟

本橋為連續梁拱組合體系橋梁，在施工過程中采用懸臂施工法，可劃分為以下步驟：

（1）施工11#～17#墩，在橋墩施工過程中，設橋向臨時支撐；安裝0#塊現澆托架，并對托架進行預壓。

（2）鎖死主墩間臨時支撐，0#塊立模、澆筑，1#塊～21#塊掛籃對稱澆筑，達到強度后預應力鋼束張拉并壓漿。

（3）邊跨現澆段澆筑完成后，合龍段兩側各加水箱壓重，安裝內外剛性支撐，張拉臨時鋼束，在澆筑合龍段混凝土的同時，進行水箱泄水，待混凝土達到強度要求后，張拉鋼束并灌漿。

（4）邊跨合龍完成后，進行次中跨與中跨的合龍，兩次合龍的頂推力分別為1 000 kN和4 800 kN，安裝支架、澆筑混凝土、張拉預應力鋼束。

（5）橋面系上安裝拱肋支架，架設拱肋。

（6）安裝吊桿，分批次拆除拱肋支架，張拉吊桿，進行橋面鋪裝與護欄安裝。

1.4荷載分析

（1）自重。

（2）掛籃脫落荷載。橋梁施工過程中由于人工操作不當以及結構的老化，導致掛籃在節段澆筑的過程中出現脫落。采用掛籃重量的1.1倍，施加在另一端。

（3）梁節段跌落荷載。橋梁結構在施工過程中，由于掛籃發生跌落，導致結構現澆的混凝土塊與掛籃一起跌落。采用跌落梁節段重量的1.1倍，施加在另一端。

（4）不平衡澆筑荷載。橋梁結構在澆筑過程中，由于模板安裝過程中存在誤差，導致懸臂兩端混凝土的澆筑量不同。考慮結構澆筑過程中的超方量，澆筑誤差按一側+5%考慮。

（5）風荷載。對于橋梁結構承受的風荷載，依據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01-2018）［8］第5.4.3條進行計算。作用在橋墩和主拱上的風荷載按照0.65倍墩高處的風速確定，以均布荷載作用于結構上。風荷載計算結果如表1所示。

（6）溫度作用。溫度作用計算時，混凝土線膨脹系數按1×10-5取值，鋼材線膨脹系數按1.2×10-5取值，橋梁結構合龍溫度為10 ℃～15 ℃。溫度作用模式分兩種：①整體升溫25 ℃；②整體降溫-23 ℃。溫度梯度按《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）［9］第4.3.12條取用。

2懸臂施工階段安全性分析

懸臂對稱施工法是橋梁施工中常用的一種方法，在施工過程中，結構并未形成體系，且結構中承受的荷載是不斷變化的，施工中出現的荷載，都可能會對結構的安全性產生不利影響。所以，本小節考慮施工階段的累計變形與應力，得到主梁在各個荷載組合作用下的效應（如下頁表2所示），并對最大懸臂狀態下的結構安全儲備進行分析。需要說明的是，在分析時為了研究最不利狀況，考慮結構承受不對稱荷載，所有荷載均施加在結構大里程側懸臂。

2.1各作用對主梁的應力影響分析

在懸臂施工階段，橋梁結構在各作用下，主梁截面上緣可能會產生拉應力，所以在施工過程中以主梁上緣應力為控制應力。由于最大懸臂階段在懸臂施工過程中最不利，故僅對這一階段進行分析。承受荷載的大里程側懸臂主梁上緣應力計算結果如圖4所示。

由圖4可知，在最大懸臂階段，主梁上緣在各種荷載作用組合下都不會出現拉應力。對比發現，橋梁結構在最大懸臂階段時，各作用下主梁截面上緣應力相比作用1均有一定的減小，其中在距離墩頂10～30 m與34～42 m的范圍內應力降低較多：作用2中，主梁上緣應力最大減小了1.22 MPa，降低了12.87%；作用3中，主梁上緣應力最大減小了2.56 MPa，降低了27.00%；作用4中，主梁上緣應力最大減小了2.98 MPa，降低了31.43%；作用5中，主梁上緣應力最大減小了3.06 MPa，降低了32.3%。對比發現，作用2與作用3降低的幅度較大，對主梁應力影響較大，說明掛籃跌落與澆筑節段跌落對主梁的應力變化起決定性作用。

2.2各作用對主梁的撓度影響分析

結構在各作用下，兩側懸臂主梁的變形不一致，承受荷載的大里程側懸臂變形情況如圖5所示。

橋梁結構在最大懸臂階段，隨著與墩頂的距離的不斷增加，結構的豎向位移逐漸增大，到懸臂端時，由于結構的澆筑塊的自重小于預應力產生的上撓值，導致結構的豎向位移逐漸減小。各作用下主梁豎向位移相比作用1均有一定增加，其中在距離主梁70～80 m的范圍內豎向位移增加得比較多：作用2中，主梁豎向位移最大增加了65.44 mm，增加了189.12%；作用3中，主梁豎向位移最大增加了137.01 mm，增加了395.95%；作用4中，主梁豎向位移最大增加了145.55 mm，增加了420.63%；作用5中，主梁豎向位移最大增加了147.43 mm，增加了426.05%。對比發現，結構在承受不對稱荷載時，掛籃跌落與澆筑塊跌落對主梁撓度影響最大。

2.3最大懸臂階段結構安全儲備分析

通過上面的計算，選取最不利的作用5為控制作用，計算結構在最大懸臂階段主梁的安全儲備。計算結構安全儲備的目標如下：

（1）截面出現拉應力。

（2）截面出現裂縫。

（3）截面達到規范對結構施工階段的應力限值。

對于預應力構件，依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）［10］第7.2.8條，在預應力和自重等施工荷載作用下結構法向應力應滿足式（1）、式（2）：

δtcc≤0.70f′ck（1）

δtct≤1.15ftk（2）

式中：δtcc、δtct——短暫狀況混凝土截面邊緣的壓應力和拉應力；

f′[KG-1.5mm]ck、f′[KG-1.5mm]tk——混凝土軸心抗壓強度、抗拉強度標準值。

在后面的計算中，統一稱為標準1、標準2、標準3，應力安全儲備系數計算如下：

（3）

主梁各位置在標準1、標準2與標準3下的應力安全儲備情況如圖6所示。

根據圖6，在最不利作用5下，結構在距離墩頂50～70 m的范圍內主梁的應力安全儲備較低，在懸臂端處，標準1的應力安全儲備較小，但標準2與標準3的儲備較大。這是因為本身值比較小，不同標準下結構應力降低值的范圍不同，導致結構的應力安全儲備變化較大。在標準1中，截面距墩頂68 m處應力安全儲備最小，為1.96；標準2中，截面距墩頂56 m應力安全儲備最小，為3.44；標準3中，截面距墩頂56 m處應力安全儲備最小，為3.65。

3結語

本文以一座連續梁拱組合體系橋梁為依托工程，在提出該結構安全分析荷載作用的前提下，結合施工過程，對最大懸臂階段的應力、變形以及安全儲備進行分析，結果如下：

（1）根據結構最大懸臂階段可能承受的荷載，組合5種荷載作用，在掛籃跌落、澆筑節段跌落、不均勻澆筑以及風荷載下，分析不同作用主梁的應力、位移效應。對比發現，掛籃跌落與澆筑節段跌落對主梁的影響較大，施工過程中要對掛籃進行嚴格的檢查，尤其是在梁節段澆筑過程中。

（2）考慮最不利作用5，根據混凝土出現拉應力、出現裂縫與規范規定的施工階段應力限值，定義了三種標準，計算各標準下的主梁應力安全儲備。計算發現，主梁在距離墩頂50～70 m的應力安全儲備相比其他位置較小，在標準一下安全儲備最小值為1.96，總體來說橋梁結構在最大懸臂階段較為安全。

參考文獻：

［1］李亞東，姚昌榮，梁艷.淺論拱橋的技術進步與挑戰［J］.橋梁建設，2012，42（2）：13-20.

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［3］劉承亮，張馳，張關成，等.九江長江大橋三大拱的拼裝與合攏［J］.橋梁建設，1993（1）：27-32.

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［6］Chong Yang Zhou，Jian Rong Yang，Wei Min Zhu，et al.Construction Control of a Continuous Beam Arch Composite Bridge［J］.Advanced Materials Research，2014（3 149）：919-921.

［7］梅葵花，王賢良，趙育.多跨連續梁拱組合體系橋梁施工關鍵問題研究［J］.橋梁建設，2017，47（4）：48-53.

［8］JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風設計規范［S］.

［9］JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范［S］.

［10］JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

基金項目：陜西省交通運輸廳2021年度交通科研項目“基于全壽命周期的高墩大跨寬幅連續梁拱組合體系橋梁關鍵技術研究”（編號：21-63K）

作者簡介：劉小光（1975—），碩士，高級工程師，研究方向：大跨組合體系橋梁施工關鍵技術。